[論文レビュー] Search for a dark photon and an invisible dark Higgs boson in $\mu^+\mu^-$ and missing energy final states with the Belle II experiment

Belle II Collaboration, F. Abudinén+356 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、Belle II実験が取得した8.34 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 10.58 GeVのe⁺e⁻衝突において、最初のダーク光子（A′）および見えないダークヒッグスボソン（h′）の探索を報告する。研究では、A′ → μ⁺μ⁻およびh′が見えない崩壊するという条件のもとで、ダークヒッグスストラーレーション過程e⁺e⁻ → A′h′を調べ、質量範囲4.0 < MA′ < 9.7 GeV/c²およびMh′ < MA′において、断面積（1.7–5.0 fb）および有効結合定数ε² × αD（1.7×10⁻⁸–200×10⁻⁸）に対する90%ベイジアン信用区間の上限を初めて設定した。明確な信号は観測されなかった。

ABSTRACT

The dark photon $A^\prime$ and the dark Higgs boson $h^\prime$ are hypothetical particles predicted in many dark sector models. We search for the simultaneous production of $A^\prime$ and $h^\prime$ in the dark Higgsstrahlung process $e^{+}e^{-} ightarrow A^\prime \, h^\prime$ with $A^\prime ightarrow \mu^+\mu^-$ and $ h^\prime$ invisible in electron-positron collisions at a center-of-mass energy of 10.58 GeV collected by the Belle II experiment in 2019. With an integrated luminosity of 8.34 fb$^{-1}$ we observe no evidence for signal. We obtain exclusion limits at 90% Bayesian credibility in the range 1.7--5.0 fb on the cross section and in the range $1.7 imes10^{-8}$--$200 imes10^{-8}$ on the effective coupling $\varepsilon^2 imes \alpha_D$, for $A^\prime$ mass 4.0 GeV/$c^2$ $&lt; M_{A^\prime}&lt; 9.7$ GeV/$c^2$ and $h^\prime$ mass $M_{h^\prime} &lt; M_{A^\prime}$, where $\varepsilon$ is the mixing strength between the Standard Model and the dark photon and $\alpha_D$ is the coupling of the dark photon to the dark Higgs boson. Our limits are the first in this mass range.

研究の動機と目的

• ダークセクター理論で予言されるように、√s = 10.58 GeVのe⁺e⁻衝突において、ダーク光子（A′）および見えないダークヒッグスボソン（h′）の探索を行う。
• ダークマターの残存密度を説明するモデルにおいて重要なシグナルである、A′ → μ⁺μ⁻およびh′が見えない崩壊するという条件のもとで、ダークヒッグスストラーレーション過程e⁺e⁻ → A′h′を調べる。
• MA′の範囲が4.0–9.7 GeV/c²で、Mh′ < MA′である領域において、この過程の断面積および有効結合定数ε² × αDに対する、初めての実験的上限を設定する。
• これまでに調査が行われていなかった質量領域において、ダーク光子混合およびダークヒッグス結合に対する制約を強化する。

提案手法

• Belle II実験が√s = 10.58 GeVで取得した8.34 fb⁻¹のe⁺e⁻衝突データを用いる。
• 最終状態が2つのミュオン（μ⁺μ⁻）および欠落エネルギーを示すイベントを選別し、A′ → μ⁺μ⁻およびh′ → 隠れた崩壊と整合する。
• 信号に類似したイベントを特定するために、二重次元の探索を、二重ミュオン質量の二乗（M²μμ）および反動質量の二乗（M²recoil）の平面で実施する。
• 信号感度を向上させるために、重複する探索ウィンドウレベルで定義されたCη選択基準を採用する。
• τ⁺τ⁻、μ⁺μ⁻、e⁺e⁻最終状態からのバックグラウンドは、シミュレーションおよびコントロール領域を用いて推定され、光度およびサンプルサイズの不確実性が伝搬される。
• 断面積およびε² × αDに対する上限は、90%信用区間においてベイジアン手法を用いて計算され、MA′–Mh′平面全体にわたって補間が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MA′の範囲が4.0–9.7 GeV/c²である領域において、A′ → μ⁺μ⁻およびh′が見えない崩壊するe⁺e⁻ → A′h′の生成断面積の上限は何か？
• RQ2 この質量範囲におけるダーク光子およびダークヒッグスボソンの有効結合定数ε² × αDに対する制約は何か？
• RQ3 Belle II実験は、4–9.7 GeV/c²領域において、この過程に対する最初の実験的上限を設定できるか？
• RQ4 観測された上限は、この解析の期待される感度と比較してどうなっているか？

主な発見

• すべてのマクロレジオンにおいて、観測された生成率はバックグラウンドの予想と整合しており、顕著な信号は観測されなかった。
• MA′が4.0–9.7 GeV/c²で、Mh′ < MA′である領域において、断面積の観測90%ベイジアン信用区間上限は1.7 fbから5.0 fbの範囲に分布する。
• 同様の質量範囲において、有効結合定数ε² × αDの観測90%信頼区間上限は1.7×10⁻⁸から200×10⁻⁸の範囲に分布する。
• これは、ダークヒッグスストラーレーションを介したA′–h′対生成過程において、この質量領域で初めての実験的上限である。
• これらの上限は理論的予測と競合可能であり、4–9.7 GeV/c²範囲において、以前の制約を改善している。
• 期待される感度は観測された上限とよく一致しており、解析の統計的性能が信頼できることが示された。